近日，我校电子信息学院磁电子器件与系统团队以开云体育为第一单位，以封面文章在顶级学术期刊Advanced Functional Materials (SCI 1区Top, 影响因子19.924)上发表研究论文 Field-Free Spin-Orbit Torque Switching in Synthetic Ferro and Antiferromagents with Exchange Field Gradient。电子信息学院博士研究生樊浩东和金蒙豪老师为共同第一作者，我校李文钧教授和周铁军教授为共同通讯作者。樊浩东为李文钧教授和周铁军教授共同指导的博士研究生，目前已发表多篇SCI Top期刊论文，包括ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Physics Letters等。
该研究得到了浙江省“尖兵”研发项目、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划等项目的支持。本工作得到张雪峰教授和张鉴教授（开云体育）在材料制备方面的支持、熊龙在理论计算与模拟方面的指导。
人工反铁磁结合了铁磁和反铁磁二者的优点，其作为磁隧道结中的自由层可以大大增强热稳定性，降低开关电流密度，最小化杂散场，并提高开关速度，在非易失信息存储和存算一体化领域具有十分广泛的应用前景。利用自旋轨道转矩(SOT)调控垂直磁化人工反铁磁的磁矩通常需要面内辅助磁场，这限制了它的实际应用。
文章根据铁磁层间的耦合场强烈依赖于隔离层Ru的厚度，提出在两个薄铁磁层之间插入轻微楔形Ru（如图1所示），将交换场梯度引入垂直磁化的人工铁磁和反铁磁体中，这使系统产生一个额外的作用力，导致了对称性破缺，实现了垂直磁化的人工铁磁和反铁磁的无磁场磁矩翻转。
图1. 电流驱动的自旋动力学模型和磁性表征
实验结果表明（如图2所示），无磁场磁矩翻转和SOT有效场的大小依赖于交换场梯度（Ru的厚度）的大小。其稳定性和可靠性也在连续翻转测试中得到证实。
图2. 人工反铁磁/铁磁交换场梯度诱导的无磁场磁矩翻转表征
理论模型和数值模拟表明（如图3所示），交换场梯度诱导的动态非共线自旋织构导致了无磁场磁矩翻转，而交换场梯度的正负决定了无磁场磁矩翻转的极性。此外，SOT效率的大小与反铁磁交换耦合场的大小正相关，也就是可同时实现可靠的无磁场磁矩翻转以及高的SOT效率。这些结果为实现垂直磁化人工反铁磁的无磁场磁矩翻转以及SOT效率的提高提供了新的途径，为实现高稳定、高密度、低杂散场和低功率的自旋存储器件铺平了道路。
图3. 人工反铁磁中无磁场磁矩翻转的微磁学模拟
